GIL在線監測

存在問題和建設意義

綜合管廊，便是地下城市管道綜合走廊。即在城市地下修建一個管廊空間，將電力工程、通信，天然氣、供暖、給水排水等多種工程管線集于一體，設立專業的檢修孔、起吊口和檢測系統，執行統一規劃、統一設計方案、統一基本建設和管理方法，是確保城市運作的關鍵基礎設施建設和“命運線”,而提升綜合管廊的智能化系統和信息化管理能力，可大大的緩解管廊的運維管理工作壓力和延長管廊機器設備的生命期。

GIL管廊是綜合管廊應用于電力行業不斷深化、專業化的體現形式，其安全性、穩定性顯得尤為重要。作為一種新型的輸電方式，GIL具有輸電容量大、損耗低、占地少、布置靈活、可靠性高、安全防護性好、免維護、壽命長、與環境相互影響小等優點。采用GIL可解決特殊環境或特殊地段的輸電線路架設問題，通過合理設計，不但可以大大降低系統造價，而且也能提高系統的可靠性。如采用隧道（以下簡稱管廊）中鋪設氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas Insulated metal enclosed Transmission Line，以下簡稱GIL）穿過江河、城市重要交通及建筑體，對于提高區域電網接納能力、提升電網安全穩定水平、滿足經濟社會發展用電需要，具有重要意義。

近幾年來,我國GIL管廊大規模地建設,管廊內管線較多,運維管理一直是個難題,尤其是距離較長的GIL管廊該問題更加突出。由此對已經建成的綜合管廊進行了研究和調研,主要體現以下幾個方面：

2.1 GIL管廊中各個系統數據獨立存在，未能達到統一綜合監控的目的，缺乏環境監控、設備監控、安防監控、視頻監控、人工智能等數字化監控手段。

2.2 運維人員仍需從事大量的設備巡視、定期查驗、數據錄入等簡單重復勞動，勞動效率低下，且難以做到“時空” 方面的全面性、準確性、科學性，不能做到提前預警、主動消缺。

2.3 現有GIL管廊評價診斷能力不強，數據利用和分析不夠。大量數據上傳后，缺乏對數據的自動分析功能，難以實現管廊內環境、安全、狀態等自動評價、聯動控制、及時預警與工單派送，不能進行多方面數據的綜合評估，對不同GIL管廊的差異化巡視管理、檢修策略的科學制定支撐力度不夠。

另外管廊內主要GIL設備、電纜本地及本身功能使用的驅動力、照明燈具、排水管道等設備繁雜，不管管廊本體出現常異常，還是本身附設機器設備出現故障，都將導致沿線輻射城市功能的癱瘓，因而提高GIL綜合管廊的智能化系統和信息化管理水準實際意義重大，“GIL智慧管廊”定義的明確提出和運用應運而生。通過GIL智慧管廊系統平臺建設，實現實現輔助監控系統、GIL管廊本體及附屬設施統一監控和管理，將監測信息深度融合、智能識別，達到設備診斷過程自動化，提高故障缺陷分析處理效率，提升GIL智慧管廊系統安全運行水平、降低人力巡視檢查工作量，實現差異化、精準化的運維檢修管理

系統簡介

GIL在線監測是管廊運行維護的核心控制系統，主要包括：GIL智慧管廊監控運維平臺、GIL本體監測系統、隧道健康監測系統、智能巡檢機器人系統、智能環境監控系統、人員定位系統、信號覆蓋系統、應急通訊系統、GIL管廊低壓交流監測、視頻監控系統、防火門禁系統、火災告警系統、環境監測系統等。

通過建立GIL智慧管廊綜合監控系統，能夠實現現場數據采集、集成、協同巡視、集中管控，完成對監測、監控數據的集中展示和分析。同時建立數據中心，對監測數據統一管理并進行智能識別分析，實現統一的硬件資源分配管理、統一的安全策略管理（人員安全、數據安全）、統一的軟資源管理。通過系統建設，最終形成由多個專業的不同子系統組成的，一個全面、實用、安全、高效的智能化、智慧化管廊系統。

管廊內GIL布置圖

系統架構圖

1、在監控管理中心設定監控電子計算機、管理電子計算機、網絡服務器、通訊電子計算機和智能化系統模擬屏等機器設備構成中央電子計算機系統。

2、智能化系統仿真模擬顯示器可形象化地顯示管廊內多種機器設備的運行狀況及空氣質量參數，及時掌握自然災害和非法侵入的產生以及部位。

3、仿真模擬顯示器的顯示信息內容有：管廊內各個區段的部位和建筑模擬圖，各疏散出口污水提升泵的情況、液位開關情況、自然通風設備情況、室內照明情況、工作溫度/環境濕度和、含氧量、CH4濃度值、H2S濃度值等多種報警信號等。
    4、 監控管理中心。
   綜合管廊監控中心主要任務為保證管廊內管道及操縱機器設備能正常運行，并在產生安全事故時要迅速反應解決，因而管廊監控中心便是全部管廊安全性監管系統的中樞神經，根據自動化技術監控與探測機器設備，將管廊內任一角落里的情況材料快速傳送搜集于監控管理中心中，使技術人員能夠隨時隨地輕易的把握全部狀況。

5、創建健全的預警信息、警報體制，處理城市管廊設備遭到人為因素毀壞的地底安全隱患，確保管廊內的自然通風、照明燈具、排水管道、防火安全、通訊等機器設備的正常運行。

應用平臺

智慧管廊應用平臺主要包括決策指揮、智能分析、基礎應用三部分功能。決策指揮主要是利用接入的子系統展示管廊的整體狀態，通過二、三維及統計圖表等方式實現智慧管廊的監控及狀態預警，目前決策指揮場景主要包括在線智能巡檢、主動預警、輔助決策、應急處置、多維協同智能作業等；智能分析主要是基于特定應用及數據而開發的專題分析應用，通過該分析應用可直接體現管廊某類特定監測數據下的運行狀態，方便業務人員對管廊狀態進行深入分析，目前主要包括管道沉降預測、伸縮節狀態預測、電纜狀態多維感知、操作人員分布、管廊健康分析等應用主題；基礎應用是本的支撐應用，用于構建本的基礎服務，并為決策指揮和智能分析提高平臺各類數據支撐服務，目前主要包括數據運維、臺賬管理、巡視管理、環境監測、用戶管理等。

數據中心

智慧管廊數據中心主要包括數據治理、數據管理、數據分析、算法管理4個管理模塊。數據治理主要是對感知層采集的各類監測數據采用“數據實時清洗”的方式，按照設備規范化模板設計清洗規則，并對清洗后的數據通過SG-CIM進行標準化建模，存入數據中心當中，經分類后構建算法訓練數據集、驗證數據集以及測試數據集，支撐后續管廊狀態的數據挖掘和分析應用；數據管理主要包括業務數據管理和感知數據管理；數據分析平臺主要是與高校合作，建立管廊相關算法模型，不斷挖掘影響管廊狀態的特征量，實現算法模型的深度學習，為后續智慧管廊的大數據分析應用提供可擴展的算法應用容器，同時可以對吸納進來的算法進行版本、發布、運行等進行管理。

數據層

數據層是本系統中所有數據的匯集中心，數據層負責各個獨立系統的數據存儲、數據加工、數據查詢、數據備份、數據安全等核心數據服務功能。數據層為各業務系統提供數據的統一權限身份認證、數據運維服務（自動備份、數據擴容、數居遷移、數據批處理）。目前接入的數據主要包括結構化數據和非結構化數據，結構化數據主要包括業務數據，感知數據，平臺支撐數據等。非結構化數據主要包括現場的圖片數據、視頻數據等。

感知層

感知層通過標準化和非標準化接口實現各個子系統的數據采集適配，標準化接口主要采用電力標準規約進行數據采集，如IEC61850/61968、電力103、Modbus等，非標準化接口主要是非電力標準數據傳輸協議的數據采集，如消息隊列、WebService、PLC等。通過這兩類接口實現了智慧管廊所有子系統的數據接入。目前需要接入的子系統主要包括管廊伸縮節在線監測子系統、電纜護層接地環流監測子系統、電纜局放監測子系統、分布式光纖測溫子系統、管廊環境監控子系統、視頻監控子系統、分布式故障定位與分析子系統、管廊結構監測子系統、管廊人員安全管理子系統、滅火監控報警子系統。

系統介紹

 （一）GIL本體監測系統

   1、GIL本體光纖溫度在線監測系統(DTS)  

光纖布纖示意圖(紅線代表光纖，置于管道頂部)

   分布式光纖測溫系統由測溫主機和探測光纖兩部分組成：

  2、GIL本體光纖溫度應力在線監測系統(BOTDA)

  3、GIL本體光纖振動在線監測系統(DVS)

利用分布式光纖傳感技術，以光纖作為“傳”和“感”的介質，實現長距離、高精度、分布式的GIL本體的溫度、振動及內部局放等多參數的健康狀態監測，從而為GIL本體的日常運維提供大數據，實現管廊的智慧化管理。

  4、GIL本體局放在線監測系統

  5、GIL本體SF6密度溫度在線監測系統

     5.1本體聯接遠傳型SF6密度表

     5.2 本體增加SF6密度溫度在線監測系統

  6、GIL本體伸縮節在線監測系統

GIL管廊伸縮節補償量監測在早期設計對伸縮節補償量主要是憑借運維人員以及檢修人員的巡視，由檢修人員根據現場安裝的游標卡尺的情況進行實時記錄，根據經驗和過往數據的對比來判斷伸縮節各個補償量是否合理，但這些并不能實現對伸縮節補償量的實時監控，不能從根本上解決隱患；且在管廊中部與上部的伸縮節由于高度高，人工巡視比較困難，本系統通過改造GIS/GIL伸縮節現有的機械式游標卡尺或增加數字式伸縮節位移傳感器來實現伸縮節補償量在線監測，并可以通過無線LoRa和有線RS485上傳數據給上位機。

  7、GIL 高壓電纜護層接地環流在線監測系統

電纜護層電流在線監測裝置由前端監測設備和后端監控中心組成，前端電流監測裝置對高壓電纜接頭處加裝0～100A單模精確CT電流互感器及精確接地環流采集裝置實時監測110kV及以上高壓電纜的每個高壓電纜金屬護層接地點的電流參數，可通過lora無線通信方式把告警信息發送到監控中心，以便及時對發生故障的電纜進行更換或搶修。可實現對0～100A接地環流精確測量及定時巡檢測量，取代傳統人工方式的定期接地環流巡測。大大減輕現場測量的勞動強度，提高系統維護效率。

   8、GIL 高壓電纜局部放電在線監測系統

8.1系統組成結構

電纜局放監測系統以供電公司監控中心為基礎和核心，通過工業級光纖以太環網，局放采集傳感器、局放檢測主機、局放監測分析軟件組成。

8.2系統主要功能

電纜局部放電在線監測系統適用于 10KV 及以上電壓等級的電纜局部放電在線監測。能實時監測放電量，放電相位，放電次數等基本局部放電參數；計算出各個接頭及各段電纜局部放電幅值、頻次；經多次采集（一般測量 50 個工頻周期）后，從數據庫提取數據進行譜圖分析和數據報表以確定放電點相對位置，必要時給出報警。并可按照客戶要求，提供有關參數的統計量。能存儲測試譜圖、放電趨勢，從而及時發現電纜及接頭的絕緣缺陷，并為評估其絕緣水平及老化程度提供判據，為電纜的檢修工作提供依據。

8.3系統主要特點：

（1）監測系統采用開合式傳感器，結構緊湊，拆卸安裝方便，不需要停電，可以很方便的對重點站、重點設備、異常設備進行長期監測。

（2）監測系統采用雙端定位測量法，可實現對電纜本體產生的局部放電進行實時定位， 理想條件下定位精度可達+/-3 米。

（3）采用高性能 FPGA 處理器，實現 100Msps、12Bit 分辨率的高速采樣、存儲，每次分析可連續采樣 50 個工頻周期以上的數據。

（4）帶通濾波技術與噪聲識別及剔除算法聯合運用，可有效識別局放信號。

（5）基于脈沖電流法（IEC60270 標準）的局部放電監測技術，可檢測 10pC 以上局放信號。

（6）在無法鋪設光纖的情況下，可以采用 4G 網絡進行數據傳輸，可降低光纖布線困難，降低成本。

 9、GIL 高壓電纜分布式故障定位在線監測系統

   9.1技術原理

電纜故障定位系統利用高速暫態行波在線監測和電網拓撲分析的系統方法，實現環網供電電纜的在線監測，對城市環網供電電纜故障進行定位、選線和預警。具體方法是在環網柜主干電纜與饋出電纜分別安裝電纜故障行波測距裝置，將電纜在發生故障前的微弱暫態信號采集到每一個故障行波測距裝置，通過故障行波測距裝置分析處理，將信號上傳到系統后臺，系統后臺通過波形分析自動預警并通過雙端測距技術自動計算故障點距離，通過系統后臺指示故障點位置，并且對饋出支路電纜實現選線功能。

行波定位原理

   9.2系統配置方案

電纜故障行波測距裝置

故障行波測距裝置由主控單元（CPU模塊）、高速信號數據采集單元（DAU模塊）、GPS/光纖/北斗守時模塊、4G/光纖/網絡通訊模塊、電源管理模塊等部分構成，故障行波測距裝置通過高頻傳感器獲取暫態行波電流信號，記錄采集時的時間標簽,同時，在現場條件具備的前提下，可增采 Ua、Ub、Uc、工頻電壓信號及零序分量，作為對供電電纜故障點定位和預警的輔助條件，為后臺運算提供數據支持。

故障行波測距裝置融合先進的數字化傳感器技術、高速數據采集、數據分析、通信技術和計算機技術為一體，將本地數據通過4G/光纖/網絡通訊模塊實時上傳至系統后臺。故障行波測距裝置能夠適應惡劣的運行環境，為城市配電網安全運行提供有力的保障。

（二）GIL智慧管廊隧道健康監測系統

結構健康監測主要在每個結構健康監測斷面上布置鋼筋針、墊圈式壓力傳感器、鋼筋計、靜力水準儀。

管廊結構監測系統由管廊沉降監測子系統，防外破監測子系統和接縫監測子系統組成。

（三）GIL智慧管廊環境監控系統

 1、GIL智慧管廊智能環境綜合監控裝置

集開關量輸入、開關量輸出、無線傳輸等功能于一體，采用lora方式進行通信，覆蓋了工業控制及監測系統的現場采集所需功能，能根據各種應用場合的具體要求進行靈活配置的智能型監控裝置。

 2、 GIL智慧管廊有毒有害氣體濃度在線監測系統

實時監測管廊內一氧化碳、可燃氣體、氧氣、硫化氫等氣體濃度，當某氣體濃度達到或低于（氧氣）設定值時系統自動發出報警，提示管理人員。避免火災、中毒等事故的發生，保障電力運行及下管廊內業人員的安全。具有高穩定，高準確和高智能化的特點，外接控制端口豐富，用戶可以自由選擇掛接傳感器的種類和接入端口，并通過簡單設置即可進行現場檢測與報警。可集成報警喇叭，所有通道常開常閉控制端（用戶可以方便外接大功率報警器或其他需控器件）。本系統主要應用于需要檢測可燃氣體的場合中，顯示待檢氣體的數值指標量，當現場的某種待檢氣體的指標不符合所設置的標準時，系統會自動進行一系列報警動作，如報警，排風，跳閘等（根據用戶的不同設置而不同）。

 3、水位傳感器

功能描述：封裝技術，使其在較深的液體中性能穩定，組件采用擴散硅進口芯片，電路采用信號隔離放大、截頻干擾設計（抗干擾力強，防雷擊）過壓保護、限流保護、抗沖擊以及防腐等設計。

 4、風機控制

根據中的實時情況，對風機進行遠程自動控制或強制控制。風機與溫度監測系統、可燃氣體監測系統等實現聯動，如當風機溫度較高時及時通風換氣；當發出火災報警時風機不得啟動；當有氧氣不足時啟動風機；當可燃氣體超標時風機不得啟動。

在風機下方的管廊墻體上安裝風機控制箱，風機控制可選擇手動和自動兩種模式，手動模式下可現場啟動關閉風機，自動模式下由遠程的控制終端控制風機的開和閉。

 5、水泵控制

要求根據現場情況，加裝水位傳感器，后臺可以實時顯示積水深度，當水位達到或超過警戒值時，系統發出報警，并與現場水泵聯動，控制水泵抽水直到水位恢復到警戒值以下停止。可遠程手動控制水泵開閉，警戒水位可人為設定。

（四）GIL智慧管廊人員安全管理系統

 1、門禁防入侵系統

 2、運營商移動信號覆蓋子系統

 3、 應急廣播通訊子系統

應急廣播通訊子系統是管廊有線廣播、緊急電話和調頻廣播的綜合利用系統，共用一套控制主機實現三個系統的統一控制；管廊內緊急電話既可向管廊管理站通報緊急事件信息，又可jianting管廊內管廊廣播效果。調頻廣播接收設施將空中FM調頻廣播信號接收下來經過選頻處理、電光轉換后，分別傳送到雙向管廊內，利用緊急電話與廣播一體機中的光纖調頻直放模塊將調頻信號寬頻蜂窩同步放大，經泄漏電纜輻射到管廊內，完成管廊調頻覆蓋工作，實現了FM調頻廣播信號在洞內的全覆蓋。

 4、 管廊人員定位子系統

管廊人員精確定位系統采用的是UWB（超寬帶）精確定位系統，UbisenseUWB精確定位系統包含三個組成部分：傳感器sensor、有源定位標簽tag和定位平臺iLocateTRM，在該系統中，定位標簽tag利用uwb脈沖信號發射出位置信息給傳感器sensor，傳感器接受到信號后采用TDOA和AOA定位算法對標簽位置進行分析，最終通過有線以太網傳輸到iLocate服務器。iLocateT－MUWB定位單元可以實現無縫蜂窩連接，將定位空間無限擴展，定位標簽可以在各個單元自由行走，通過定位平臺軟件分析，將定位目標真實地以虛擬動態三維效果顯示出來。該系統在傳統的應用環境中穩定達到15cm的3D定位精度。

 5、 GIL智慧管廊疏散撤離引導系統

在建管廊的特點是現場聲音嘈雜，隨著開挖長度的深入移動信號也在減弱或無信號。通常情況下當環境噪音超過90分貝時，普通電話機的鈴聲經常不能讓工作人員聽到鈴聲，導致生產調度指令得不到及時地傳達，造成經濟損失。該系統專門針對各類管廊高潮濕的環境設計，具有高防護、低功耗、防塵防潮、抗噪能力強、聲音清晰洪亮的特點。該系統話機經過若干次鈴響后（默認5次），話機自動接聽，主叫方可進行呼叫廣播，其聲音將通過外置揚聲器廣播給附近的施工人員。

管廊開挖、施工過程中，存在著現場環境復雜，聲音嘈雜，不安全因素多，而且無移動信號等。而在管廊生產調度過程和應急救援指揮等，又需要保持暢通的通訊條件 。因此必須具有專用的管廊應急電話通信系統，來滿足作業面與管廊值班監控室的通信聯系。

（五）GIL智慧管廊智能巡檢機器人

地下管廊的運維需要全面掌握管廊內環境、設備設施運行態勢，人員進出情況，保證管廊安全可靠運行及人員的健康及生命安全；能及時發現存在的隱患，并能進行預警、報警，出現火情、災情時能及時發現并能快速響應處置，減少或避免財產、生命損失。掌握管廊日常運行中工程管理、維修養護情況，管線單位、主管單位需了解管廊運行情況。目前各運維公司對地下管廊的巡檢方式依然以人工巡視為主，巡視人員定期進行地面和管廊協同的巡視工作，巡視人員在管廊內主要關注電纜的蠕動變形情況、電纜和管廊外觀、地下管廊金屬構件銹蝕情況以及管廊積水情況，巡視工作內容逐漸單一，管廊內人員巡視工作效率低，而這些工作可以通過自動化的攝像監控來代替，另外人工巡檢存在管廊環境空間封閉，內部陰暗潮濕、積水及有毒氣體的存在較大的安全隱患。

為了進一步提高地下管廊的防災減災能力，保障高壓電纜網的安全運行，在地下管廊實現了固定、離散在線監測的基礎上，一些重要地下管廊還需要動態和連續監控的功能，以現代技術手段實現對重點管廊的不間斷巡檢，取代人工巡檢；同時，還可以逐步實現對地下管廊內突發事件的現場處理，在第一時間采取*的處理措施，相對傳統的人工干預，有其快速、安全、高效的優勢。通過在管廊里設置一套掛軌式機器人巡檢系統，可實現管廊內：視頻圖像識別、紅外熱成像測溫、環境及氣體檢測、音頻采集分析、雙向語音對講、自動巡檢。

 系統架構

地下管廊機器人巡檢系統主要由軌道式巡檢機器人、軟件平臺、供電平臺、軌道總成、通信平臺組成，通過部署在管理中心的中心管理平臺，能夠實時管理及控制機器人在線進行巡檢任務作業，同時將巡檢狀態和結果能夠通過桌面控制器傳輸到云服務器，可以通過移動客戶端的方式隨時傳送給現場管理人員，第一時間得到巡檢報告及報警信息，同時通過電力專網，能夠將機器人巡檢畫面及巡檢結果等信息實時與工廠綜合管理部門進行數據分享，通過遠程管理的方式對每臺機器人的狀態進行監控管理。

 部署方案

依照管廊結構，采用安裝懸吊軌道的方式安裝機器人，能夠充分利用管廊頂部空間，提升安全性及空間利用率。

機器人吊軌、供電系統及通信網絡安裝后，軌道巡檢機器人將按照管廊進行部署安裝，機器人能夠完成自主巡檢、自主通訊及自主充電的無人值守式運行。

在管廊里，一共設置三到四套無線通信設備，無線充電設備和無線通信設備均在現場就地取電，無線通信設備通過光纖連接到主控室交換機，以連接機器人控制后臺。

 智能巡檢機器人

軌道式巡檢機器人，是整個巡檢系統的核心組成部分，承擔地下管廊內巡檢和現場處置的主要功能，巡檢機器人的主要部件包括：車體、驅動電機、控制箱、紅外激光雷達、360°全角度攝像頭、紅外熱成像鏡頭、LED照明燈具、離子式煙霧傳感器、溫度/濕度探頭、火焰探測傳感器、雙向語音對講揚聲器等。

（六）GIL智慧管廊智能視頻安防系統

根據現場實際情況，在管廊重要位置及出入口處安裝視頻監控攝像機（包括電纜接頭、積水井及水泵控制箱、風機及控制箱、防火門等），全面覆蓋附近所有敏感區域，保證監控中心24小時處于監控狀態。視頻監控系統除了具備數字化攝像監控系統自身的視頻采集、存儲、報警等基本功能外，還具備圖像分析處理能力，對于非法闖入jinqu的行為自動報警，視頻信號可通過4g網絡傳輸到監控平臺。

（七）GIL智慧管廊消防滅火監控報警系統

 1、超細干粉滅火裝置

“超細干粉自動滅火裝置”能與的火災自動報警系統實現聯動，或在火災現場自動感應啟動，將火情控制在初始階段，滅火性能可靠。

 2 、火災報警系統

火災報警系統由火災報警主機和編碼型煙霧傳感器、手動報警按鈕、聲光報警器等組成，系統采用電子編碼式煙霧傳感器采集隧道內實時環境狀態，當產生火警信號時，把信號上傳至安全主機及環境綜合監控軟件。安全主機及環境綜合監控軟件接收到火警信息后，相應采取一系列措施，如聯動風機、聯動聲光報警等，并把火警信號進一步轉發上傳至調度端平臺。